Колпаковая печь для отжига рулонов металла

 

Изобретение относится к устройствам для термообработки специальных изделий в колпаковых печах и может быть использовано для отжига рулонов, бунтов и кольцевых заготовок. Цель изобретения - повышение производительности печи. В пространство под муфелем 8, закрытым колпаком 1 с электронагревателями 2-4, через узел подачи газа 21, выполненный в виде плазмотрона 22, между катодом 23 и выходным анодом подается защитный газ. Нагретый в плазмотроне 22 газ истекает через выходной анод 24 и эжектирует газ из периферийных частей муфеля 8 по радиальным отверстиям 19 через сопло 20 в центральную часть, сто

СОЮЗ COHETC ÈÕ

СОЦИАЛИСТИЧЕ СКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 С 21 0 9/673

ГОСУДАРСТВЕНН6М КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 3

О

6д

C) 20

Щ

6 (21) 4734673/02 (22) 01.09.89 (46) 07.01.92. Бюл. Й. 1 (71) Магнитогорский горно-металлургический институт им. Г.И. Носова (72) В.К. Литвинов, Е.Б. Агапитов, А.П. Морозов, В.Г. Курлов и О.Н. Шестак (53) 621.365.412Й)88,8) (56) 1. Патент СШАМ 3935371, кл. С 21 0 9/00, 1975.

2, Авторское свидетельство СССР

М 1213077, кл. С 21 0 9/073, 1984. (54) КОЛПАКОВАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ОТЖИГА РУЛОНОВ МЕТАЛЛА

„„5lj „„ÏO3/O7А1 (57) Изобретение относится к устройствам для термообработки специальных изделий в колпаковых печах и может быть использовано для отжига ругонов, бунтов и кольцевых заготовок. Цель изобретения. — повышение производительности печи. В пространство под муфелем 8, закрытым колпаком 1 с электронагревателями 2-4, через узел подачи газа 21, выполненный в виде плазмотрона

22, между катодом 23 и выходным анодом подается защитный газ, Нагретый в плаэмотроне 22 газ истекает через выходной анод 24 и зжектирует газ иэ периферийных частей муфеля 8 по радиальным отверстиям

19 через сопло 20 в центральную часть сто1

1703707

50 пы рулонов 28. Нагрев проводится при вертикальном возвратно-поступательном перемещении конфузора 18 с помощью привода

25 в пространстве под муфелем 8 по оси садки рулонов 28 и электронагревателями

2-4. При этом осуществляются равномерИзобретение относится к металлургии, а именно к устройствам для термообработки специальных изделий s колпаковых печах, и может быть использовано для отжига рулонов, бунтов и кольцевых заготовок.

Известна колпаковая печь для отжига рулонов. состоящая из колпака, установленного над муфелем на стенде, вентилятора в стенде, плазмотрона, расположенного на некотором расстоянии вне печи и соединенного трубопроводом через экраны-отражатели с подмуфельным пространством в зоне вентилятора, а также снабженного байпасной. линией для рециркуляции после очистки защитного газа через плазмотрон под муфель (1).

Недостатком данной колпаковой печи является низкая производительность, обус-. ловленная использованием плазмотрона 20 только в качестве основного нагревателя с локализованным вводом плазменной струи, что приводит при ускоренной выдаче энергии, обеспечивающей высокую производительность, к неизбежному перегреву нижних рулонов садки. Кроме того, плазмотрон удаляется от печи на некоторое расстояние и используются специальные экраны-отражатели для выравнивания и снижения температуры защитного газа, что повышает необратимые тепловые потери в системе энергопитания печи. Необходимость вывода защитного газа при рециркуляции по байпасной линии, находящейся вне печи, также увеличивает тепловые потери и снижает термический КПД печи. Таким образом, повышение производительности в данной печи ограничивается низкой предельно возможной энергией и энтальпией плазменной струи при локализованном вводе, исключающем местные перегревы металла. Лимитирование по повышению удельной мощности плазменной струи не дает возможность получать высокие скорости нагрева и сокращать время отжига. Локализованный ввод нагретого защитного газа приводит к неравномерному прогреву садки, в результате общее время термообработки удлиняется вследствие необходимости выравнивания температуры по ное перемещение зоны тепловыделения и максимальная степень циркуляции газа с усреднением температуры металла по высоте и сечению садки рулонов 28 и повышением скорости и производительности обработки, 1 ил. 1 табл. высоте садки, что приводит к снижению производительности печи.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является колпаковая печь для отжига рулонов металла, содержащая стенд с соосно закрепленной на нем цилиндрической огнеупорной тумбой с центральным суживающимся к стенду каналом, коаксиально расположенные на стенде колпак с нагревателями и муфель и размещенное в центральном канале тумбы устройство для обеспечения принудительной циркуляции газа в муфеле в виде конфузора и узла подачи газа (2 ).

Недостатком известной колпаковой печи является низкая производительность, обусловленная высокими тепловыми потерями на нагрев локально вводимого через узел подачи газа в стенде холодного эжектирующего защитного газа. Причемдля подогрева циркулирующего газа используются стендовые электронагреватели сопротивления, далее этот газ смешивается с эжектирующим газом. Эффективность нагрева циркулирующего защитного газа стендовыми нагревателями ограничивается низким коэффициентом теплоотдачи, и термический КПД достигает лишь 20-307ь. Ввод эжектирующего защитного газа производится в центральную часть рулонов саДки, а максимальный вклад в нагрев осуществляется электронагревателями сопротивления через муфель боковых периферийных частей рулонов, следовательно, создаются условия для преимущественного нагрева внешних частей садки, что приводит к неравномерности нагрева. B данной Ьезвентиляторной печи для получения эффективной циркуляции защитного газа необходимы высокие (не менее 0,3 МПа) давления в узле подачи газа со стабильными параметрами, В реальных производственных условиях термических цехов возникают сложности получения давлений газов необходимых параметров, например для водород- и аммиаксадержащих газов, Кроме того, периодическое подключение соседних печей и стендов приводит к колебаниям давления вуале подачи газа, что сказывается на эффективности работы устройства, обеспе1703707 чивающего принудительную цир угчцию газа в муфеле и теплообмена в печи. В данной печи при увеличении элек;р. ческой мощности нагревателей необходимо повышать расход эжектирующего газа для интенсификации циркуляции, при этом усиливается температурная неравномерность между перифе -ийными и центральными слоями рулонов, а также между верхними и нижними рулонами, Для выравнивания распределения температуры садки необходимы затраты времени. что понижает производительность печи.

Целью изобретения является повышение производительности печи за счет сокращения времени нагрева путем снижения тепловых потерь в системе электропитания печи и выравнивания температурного поля в подмуфельном пространстве, Для дос1ижения поставленной цели в колпаковой печи для отжига рулонов металлов, содержащей стенд с соосно закрепленной на нем цилиндрической огнеупорной тумбой с центральным суживающимся к стенду каналом, коаксиально расположенные на стенде колпак с нагревателями и муфель и размещенное в центральном канале тумбы устройство для обеспечения приудительной циркуляции газа в муфеле в иде конфуэора и узла подачи газа, последий выполнен в виде плазмотрона, а конфузор — с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения.

Выполнение узла подачи газа в виде плазмотрона позволяет повысить производительность печи за счет сокращения тепло.:ерь в системе электропитания печи путем увеличения термического КПД при высокоскоростном нагреве плазменным потоком и выравнивания температурного поля по сечению садки при вводе тепла в центральные части рулонов Оез локальных перегревов. .Выполнение конфуэора с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения позволяет повысить производительность печи за счет сокращения времени нагрева и выравнивания температурного поля по высоте садки путем периодического сканирования конфузора по высоте садки и равномерного распределения зоны с максимальным тепловыделением, а также интенсификации циркуляции защитного газа, На чертеже изображена схема колпаковой печи для отжига рулонов металла.

Колпаковая печь содержит колпак 1 с секциями электронагревателей 2-4, запить, ваемых через контакторы 5-7 на трехфазную сеть по схеме "звезда" с заземленной

55 общей точкой. Колпак 1 и расположенный под ним коаксиально муфель 8 установлены на стенде 9 и герметизированы с помощью песочных и гидравлических затворов 10. На стенде 9 соосно с цилиHäðè÷åñким отверстием 12 закреплена цилиндрическая тумба

11 из огнеупорного материала с центральным сужив,: цимся к стенку 9 каналом 13.

Опорная кольцевая плита 14 закреплена на стойках 15 в тумбе 11. Устройство 16 для обеспечения принудительной циркуляции газа под муфелем 8 проходит через цилиндрическое отверстие 12 в стенде 9 с помощью динамического уплотнения 17 и через канал

13 в тумбе 11. Устройство 16 для циркуляции выполнено в виде конфузора 18, имеющего радиальные отверстия 19 и сопло 20 в верхней части, а также узла 21 подачи газа, установленого в конфузоре 18 на уровне радиальных отверстий 19. Узел 2 1 подачи газа выполнен в виде электродугового плазмотрона 22, состоящего из катода 23 и выходного анода 24. Конфуэор 18 выполнен с возможностью вертикального воэвратнопоступательного перемещения через динамическое уплотнение 17 в пространстве под муфелем 8 с помощью привода 25. В электрическую цепь плазмотрона 22, к катоду 23 и выходному аноду 24, подключены источник 26 питания и осциллятор 27. Рулоны 28 металла установлены на кольцевую опорную плиту 14. причем между рулонами 28 расположены конвекторные кольца 29, а на набранной стопе рулонов 28 — крышка 30, Колпаковая печь для отжига рулонов металла работает следующим образом.

Первоначально на кольцевую плиту 14, закрепленную на стойках 15 втумбе 11,,устанавливаются рулоны 28 металла, разделенные конвекторными кольцами 29, а наверх стопы рулонов 28 помещается крышка 30, Затем собранная стопа рулонов 28 закрывается муфелем 8 и колпаком 1, которые устанавливаются на стенде 9 и герметиэируются с помощью песочных или гидравлических затворов 10. В пространство под муфелем 8 через узел 21 подачи газа, выполненный в виде плазмотрона 22, между катодом 23 и выходным анодом 24 подается защитный газ в конфузор 18, и осуществляе;ся продувка до полного вытеснения воздуха из-под муфеля 8, Затем от трехфаэной сети через контакторы 5-7 на секции электронагревателей 2-4 подается напряжение и происходит прогрев колпака 1 и нагрев садки рулонов 28 под муфелем 8. Затем на катод 23 и выходной анод 24 плазмотрона 22 подается напряжение от источника 26 питания, и с помощью осциллятора 27 инициируется дуговой разряд между катодом 23 и

1703707

30

40

50

55 анодом 24, который нагреoaEl защитный газ в зависимости от расхода и подводимой электрической мощности до 1500-5000 С.

Конфузор 18, проходящий через цилиндрическое отверстие 12 в стенде 9 с помощью динамическою уплотнения 17, расположен в крайнем нижнем положении, Нагретый в плазмотроне 22 защитный газ истекает через выходнои анод 24 из узла 21 подачи газа, установленного в конфузоре 18 устройства

16 для циркуляции, и эжектирует газ иэ пространства под муфелем 8 через зазор между опорной кольцевой плитой 14 и поверхностью верхней части тумбы 11, выполненный в виде суживающегося к стенду 9 канала 13, по радиальным отверстиям 19 в конфуэоре

18, Смесь рабочего и эжектирующего газа через сопло 20 в верхней части конфузора

18 поступает в центральную часть стопы рулонов 28 с температурой, соответствующей режиму термообработки (600-1800ОCf. и, проходя через конвекторные кольца 29 и крышку 30, осуществляет эффективный нагрев внутренних торцов и кромок рулонов

28. Интенсивность циркуляции защитного газа регулируется давлением, расходом и температурой плазменной струи, вытекающей из плаэмотрона 22. Контроль температуры в печи и термообрабатываемого металла может проводиться датчиками температуры, например термопарами (He показаны). установленными внутри колпака 1 либо под муфелем 8 между рулонами 28.

Температурный режим в печи может устанавливаться периодическим полным или посекционным включением и отключением. электронагревателей 2-4 с помощью контакторов 5-7, Затем проводится вертикальное возвратно-поступательное перемещение конфузора 18 в пространстве по муфелем 8 по оси садки рулонов 28. При этом диаметр конфузора 18 циркуляционного устройства 16 принимается меньше минимального внутреннего диаметра рулонов

28. Привод 25, осуществляющий возвратнопоступательное перемещение конфуэора 18 через динамическое уплотнение 17, устанавливается под стендом 9 и выполняется, например, роликовым с электрическим или пневматическим источником питания (не показан). Происходит периодическое перемещение конфузора 18 так,.чтобы верхний срез сопла 20 периодически перемещался до середины верхнего рулона 28 (показано пунктиром). При этом реализуется равномерное перемещение зоны тепловыделения и максимальной степени циркуляции нагретого газа в центре стопы рулонов 28 с выравниванием температуры внутренних слоев проката по высоте и сечению садки рулонов

28 и с повышением скорости и производительности на рева. Стенки конфуэора 18 могут выполняться неохлаждаемыми, водоили газоохлаждаемыми или в виде тепловых труб, Поэтому при локальном превышении температуры по высоте стопы рулонов 28 возможна коррекция температуры металла при возвратно-поступательном перемещении конфузора 18 за счет отвода тепла в его охлаждаемую стенку, например, со свежим защитным газом и утилизацией этОго тепла при подаче газа на узел 21 подачи циркуляционного устройства 16, 8 данной печи возможно периодическое и/или циклическое возвратно-поступательное перемещение конфузора 18 по высоте садки рулонов 28 в зависимости от вида применяемой термообработки, например равномерный отжиг или термоциклическая обработка. Частота и амплитуда возвратно-поступательного перемещения конфузора 18 определяются мощностью плазмотрона 22, расходом защитного газа, объемом садки рулонов 28, температурным уровнем режима термообработки, теплафизическими характеристиками нагреваемого металла и защитного газа. Горение плазменной дуги в плазмотроне 22 может быть постоянным или импульсным в зависимости от параметров источника 26 питания. 8 качестве плазмотрона 22 возможно также использование плазменных генераторов переменного и высокочастотного тока. Конфузор 18 может перемещаться при неподвижном узле 21 подачи газа, а также возможно их совместное перемещение. Таким образом, в данной печи реализуется одновременный нагрев внутренних и внешних торцов рулонов 28 путем регулировки электрической мощности плазмотрона 22, изменением тока и напряжения на источнике 26 питания и расхода защитного газа, задания частоты и амплитуды возвратно-поступательного перемещения конфуэора 18,совмещенного с известным нагревом электронагревателями

2-4, позволяющий достигать равномерной и высокопроизводительной термообработки рулонов 28 металла. После окончания циклов нагрева и выдержки отключаются источник 25 питания и контакторы 5-7.

Снимается колпак 1 и происходит охлаждение садки рулонов 28 под муфвлем 8, завершая цикл термообработки. При этом на узел

21 подачи газа, выполненный в виде плазмотрона 22, через выходной анод 24 подается колодный .защитный гаэ (при отключенном плазмотроне 22), а конфузор

18 совершает с помощью привода 25 вертикальное возвратно-поступательное перемещение, осуществляя равномерное по

1703707

10 высоте и сечению рулонов 28 охлаждение садки.

Проводились сравнительные исследования по определению производительности работы колпаковой печи по прототипу и предлагаемой колпаковой печи для отжига рулонов металла, В обоих случаях термообработке подвергались рулоны 28 стали марки 70С2ХА с массой. загрузки 3,5 т и температурой обжига 720 С. Расход защитного газа, состоящего из 88 азота, 12 водорода, 6 м /ч. Суммарная потребляемая электрическая мощность в сравниваемых вариантах принималась равной 150 кВт.

Контроль температуры нагрева проводился термопарами типа ХА, установленными в футеровке колпака 1 в зоне секций электронагревателей 2-4. В качестве контакторов

5-7 использовался трехфазный автоматический контакторс индивидуальным по фазам коммутированием. Секции электронагревателей 2 — 4 изготовлялись из нихромовой ленты марки Х20Н80. В качестве привода 25 конфузора 18 менялся исполнительный механизм типа МЭО 1000/630. Использовался электродуговой плазмотрон 22 с потребляемой электрической мощностью 25 кВт со стержневым вольфрамовым катодом 23 и графитовым анодом 24, Конфузор 18 с соплом 20 выполнялись из стали 40ХМ с графитовыми или керамическими покрытиями внутренней поверхности сопла 20. Геометрические параметры конфузора 18 и выходного анода 24 рассчитывались на среднемассовую температуру плазменной струи на срезе выходного анода 24 на уровне 2000 С. Температура смеси рабочего и эжектируемого циркулирующего газа на срезе сопла 20 достигала 720 — 900 С. В качестве источника 26 питания использовался тиристорный преобразователь типа АТЭЗ10/450Р-2У4 (TY 16-529.841-78). Для поджига плазменной дуги между катодом 23 и выходным анодом 24 применялся высоковольтный осциллятор 27 по схеме с параллельным включением. Динамическое уплотнение 17 выполнялось манжетного типа из асбестового волокна. Амплитуда возвратно-поступательного перемещения конфузора 18, при высоте садки рулонов 1,8 м, составляла 1,6 м, частота 0,003 Гц.

Производительность печи оц, ивзлзсь по снижению времени нагрева и в. Аержки, сокращению тепловых потерь s системе электропитания, определяющих величину теплового КПД печи. При этом тепловой

КПД оценивался по теплу. аккумулированному садкой рулонов 28, футеровкой колпака 1 и стендом 9, определенным расче1ным путем по замерянным температурам. Ин5

55 тенсивность нагрева садки оцснивзлзсь по времени выхода печи на режим отжига из холодного состояния и по времени выдержки. Производительность печи определялась по суммарному времени нагрева без учета охлаждения. Равномерность рзспределения температурного поля по высоте садки рулонов 28 оценивалась дополнительными термопарами, установленными между рулонами 28 по высоте и в рулонах по сечению, и выражалась по среднему за время нагрева отношению температуры верхних рулонов к температуре нижних рулонов, и косвенно— по качеству металла верхних и нижних рулонов, а также по сечению рулонов. Качество металла оценивалось по механическим свойствам: сопротивлению на разрыв и относительному удлинению.

Параметры работы печей по прототипу и предлагаемой представлены в таблице.

Как видно из таблицы, при одинаковой суммарной электрической мощности предлагаемая колпаковая печь для отжига рулонов металла позволяет повысить производительность по сравнению с прототипом в 1,54 раза за счет повышения теплового КПД на 22 и снижения суммарного времени обработки на 8 ч. Кроме этого, дополнительным фактором. способствующим повышению производительности печи, является возможность выравнивания температурного поля садки за счет снижения среднего за время нагрева отношения температур верхних рулонов садки к температуре нижних рулонов садки в 1,26 раза и уменьшения разницы в механических свойствах верхних и нижних рулонов соответственно: сопротивления на разрыв в 4,4 раза, относительного удлинения в 7 раз. Также повышается и верхний уровень механических свойств обрабатываемого металла по сравнению с прототипом: сопротивление на разрыв в 1,1 раза. относительное удлинение в 1,4 раза, Вследствие равномерного нагрева рулонов по высоте и сечению садки исключается брак концевых частей рулонов из-за локальных перегревов и недогревов, что повышает производительность печи.

Выполнение узла пода и газа в виде плазмотрона позволяет пол сить производительность колпаковой пе l1 рзботающей

s безвентиляторном режиме пу ем интенсификации процессов теплообмена в системе электронагреватели — защитный газ— садка. При этом сокращае1ся время нагрева садки путем увеличения коэф 1.ициента теплопередачи посредством повышг.ния температуры и изменения тепло1 изических свойств греющей среды в ус.. овиях низкотемпературчой плазмы, а тзкж". зз счет ин1703707

12 тенсификации вынужденной конвекции. В данной печи температура поступающего под муфель защитного газа является одинаковой в течение всего периода нагрева по всей высоте садки, поэтому теплообмен совершается всегда при максимально возможном температурном перепаде между металлом и циркулирующим газом, что сокращает длительность цикла отжига. При использовании плазмотрона в качестве узла подвода газа возрастает кратность эжекции вследствие повышения энтальпии и скорости истечения газа, что интенсифицирует циркуляционный процесс, а следовательно, ускоряет нагрев и повышает производительность термообработки металла.

Выполнение конфузора с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения позволяет повысить производительность печи вследствие получения оптимальных условий работы. так как соблюдается соответствие интенсивности подвода тепла от электронагревателей к муфелю и отвода тепла от муфеля при интенсификации циркуляции защитного газа плазменным эжектором. Возвратно-поступательное сканирование конфузора по высоте садки внутри рулонов обеспечивает строго заданные температурные режимы термообработки, исключая локальные перегревы металла. В печи достигается прецизионное распределение температуры по объему садки, осуществляемое изменением подаваемой на плазмотрон электрической мощности и длины плазменной струи в конфузоре в зависимости от расхода газа, частотой и амплитудой вертикального возвратно-поступательного перемещения конфузора в центральной части садки рулонов. Это позволяет реализовать в печи скоростные высокопроизводительные сложные температурно-времечные графики термообработки, например изотермический двух5

15

- производительностью при использовании в качестве плазмообразующего газа в плаэ25 нитроцементации.

40 ступенчатый отжиг или термоциклическую обработку. Преимуществом данной печи является ее высокая термическая эффективность, достигаемая эа счет снижения тепловых потерь в системе электропитания, так как ввод энергии осуществляется непосредственно в греющей защитный гаэ, поступающий в центральную часть садки рулонов, обеспечивая высокий тепловой

КПД на уровне 60-707ь. Также сокращаются тепловые потери в период прогрева печи, так как в случае плазменного нагрева температура муфеля сразу же выходит на заданную величину, в то время как при нагреве только секциями электронагревателей на колпаке на это требуется более длительное время. Дополнительным положительным эффектом является возможность проведения в печи плазменнотермохимической обработки с высокой мотроне активных газов, например аммиака или азота 8 смеси с природным газом при

Формула изобретения

Колпаковая печь для отжига рулонов металла, содрежащая стенд с соосно закрепленной на нем цилиндрической огнеупорной тумбой с центральным суживающимся к стенду каналом. коаксиально расположенные на стенде колпак с, нагревателями и муфель и размещенное в центральном канале тумбы устройство для обеспечения принудительной циркуляции газа в муфеле в виде конфуэора и узла подачи газа, отличающаяся тем, что, с целью повышения производительности печи, узел подачи газа выполнен в виде плазмо1рона, а конфузор — с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения.

14

1703707

13

Параметры работы

Суммарная потребляемая электрическая мощность.кВт

Электрическая мощность секций электронагревателей, кВт

Электрическая мощность на плазмотроне 22, кВт

Электрическая мощность, затрачиваемая на привод 25 конфузора 18, кВт

Тепловой КПД печи,$ Время:ыхода печи на режим отжига, ч

Время выдержки, ч

Суммарное время обработки,ч

Производительность печи г (без учета охлаждения ). т/ч

Среднее за время нагрева отношение температуры верхних рулонов к температуре нижних рулонов

Средние механические свойства кгс/мм2: сопротивление разрыву верхних рулонов сопротивление разрыву нижних рулонов относительное удлинение верхних рулонов относительное удлинение нижних лонов

Составитель А.Морозов

Редактор О,Юрковецкая Техред M.Моргентал Корректор T,Ïàëèé

Заказ 41 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101